摘要：针对高压、大功率电力电子设备高热流密度散热要求，在对比传统的强迫空冷、热管蒸发冷却、水冷等冷却方式基础上，研究了汽液两相流冷却技术及其应用。主要分析了传统冷却方式在高压、大功率电力电子设备上应用遇到的问题，研究了两相蒸发冷却对传统冷却方式遇到的功率器件不均温、冷却介质泄露等问题的克服及解决。
关键词：汽液两相流冷却；均温；高压大功率器件
1.引言
电力电子设备朝着小型化方向发展，设备体积缩小，功率增大，热流密度急剧升高，这对设备的散热能力提出了更高的要求；其中，功率器件IGBT串、并联使用和多功率单元串联技术广泛在电力电子设备上应用，各功率单元温度一致性能提高整体输出能力以及稳定性，功率器件IGBT并联使用时均流效果尤其重要。通常电力电子设备采用最为经济可靠的强迫空冷散热方式，随着设备热流密度的升高，利用热管与强迫空冷结合的方式以及液冷（使用最多的液冷方式为水冷）的方式逐步推广利用。
文献[1]的研究表明，IGBT 总的不均流与温度特性密切相关，温度一致利于IGBT并联均流。如下图1（温升为40℃时，各种冷却方法的热流密度值）所示，显然随着设备功率加大热流密度升高，但受限于体积要求强迫空冷方式已不再适合，而应用水冷却方式时，有两个主要困难：解决冷却水泄露隐患以及控制沿着水冷流道方向温度差异对功率器件的影响。为解决当前大功率电力电子设备散热冷却遇到的问题，本文研究了气液两相流冷却技术原理及其在大功率电力电子设备上应用的系统构造，关键技术点等。
图1 温升为40℃时，各种冷却方法的热流密度值
2.汽液两相流冷却技术基本原理
两相蒸发冷却是利用某种液体物质转变成相同温度的蒸汽过程中，吸收热量来冷却接触热源表面。蒸发散热过程是热量由热壁传给与其接触的液态物质，尔后液态物质不断产生蒸汽，蒸汽带着热量离开使液态物质温度始终保持不变，即使热量增大也只是使蒸汽产量增多，而液态物质温度不变。汽液两相流冷却技术即是通过系统控制使汽液混合流在热源表面循环流动不断带走热量是汽化潜热和对流换热原理的综合利用，从换热原理看，实际是有沸腾换热和两相流体对流换热两部分组成，因而它的换热能力比蒸发冷却系统高，更比一般的对流换热高。
3.大功率电力电子设备汽液两相流冷却系统构成及技术特点
高压大功率电力电子设备集中体现的两个特点：高电压运行环境以及高热流密度，所以汽液两相流冷却应用到高压大功率电力电子设备必须考虑冷却系统绝缘要求以及冷却介质泄露对对系统的影响同时具备高热流密度的冷却散热能力。
3.1冷却工质性质要求
常规水冷系统在高电压设备上应用时冷却介质一般采用去离子水，根据设备电压等级要求去离子水的电阻率，当应用到零度以下低温环境时还需增加乙二醇或其他防冻液来保证其不结冰。
汽液两相流冷却工质应具有主要性质：
a）优良的热力学特性，以便能在给定的温度区域内运行时有较高的循环效率。要求：临界温度高于冷凝温度、与冷凝温度对应的饱和压力不要太高、标准沸点较低、流体比热容小、绝热指数低、单位容积制热量较大等。
b）优良的热物理性能具体要求为：较高的传热系数、较低的粘度及较小的密度
c）良好的化学稳定性 要求工质在高温下具有良好的化学稳定性，保证在最高工作温度下工质不发生分解。
d）安全性应无毒、无刺激性、无燃烧性及爆炸性。
e）良好的电气绝缘性。
如在冰箱、空调、冷库、除湿机等制冷设备广泛使用的R134a（1，1，1，2-四氟乙烷）等制冷剂就很适合作为大功率电力电子设备气液两相流冷却工质使用。
3.2系统构成及结构原理
大功率电力电子设备通常集成以电气柜结构形式，结构紧凑。汽液两相冷却系统是以泵为驱动力的密闭式循环，主要由工质泵、工质蒸发器（冷却板）、工质冷凝器（外部换热器）、控制阀、储液器、干燥器、风机以及连接管道等。如下图2，系统工作过程是以冷却板内部细小管路结构为工质蒸发器与发热的电力电子功率器件进行热连接，控制工质蒸发器的入口处工质为汽液两相状态，利用工质汽化吸收热量而工质温度不变的特性将热量带走，并通过泵使液态工质循环，然后通过工质冷凝器将热量散发到大气中。
图2 冷却系统结构原理示意图
工质冷却器与工质泵之间储液器通过压力控制确保进入泵的工质为液态，储液器内的工质也可补充系统长期运行过程可能出现的的泄漏。工质蒸发器前端的加热器根据情况使用，可将液体工质加热到饱和状态起到控制工质蒸发器入口的工质为汽液两相状态。同时加热器可确保冷却系统在低温环境下安全运行。
3.3关键参数选项及验算
通过设定冷却系统内部管道压力从而控制工质的饱和温度。结合功率器件外壳温度一般要求不超过80℃，设备运行温度要求一般为45℃以下在对应的运行温度下工质必须处于液态。工质饱和温度以50℃~60℃为宜。以R134a为例对应的压力为1.3Mpa~1.68Mpa工质。
根据对应温度下工质的汽化潜热确定出工质质量流量，结合工质蒸发器及整个冷却系统设计确定系统压降最终确定出工质泵的选型这在水冷应用上都有成熟的借鉴。工质冷凝器、储液器、散热风扇等在空调机以及水冷循环系统上应用原理一致都有较标准化设计及选型。
一般大功率电力电子设备通常由多个蒸发器组成，每个蒸发器安装一个或多个功率器件。工质蒸发器散热能力主要取决于其结构、工质质量流量，工质蒸发器结构与功率器件及设备结构密切相关，一般需要根据功率器件以及设备结构定制化设计。其散热能力可通过如下来进行验算。
根据费尔关联式，气液两相流的传导系数K用下式描述：
4.结论
表明系统具有较高可靠性，当外界扰动发生时，系统通过自身调整很快进入稳定状态。其中，储液器的设计和系统工质的充灌量在很大程度上决定了系统的稳定程度。在机械泵和储液器合理设计的前提下，只要保证泵的入口为液态、蒸发段出口干度小于0.5、冷凝器有足够的放热能力而温度小于循环工质的三相点，系统就能够稳定可靠运行。
通过对汽液两相流冷却技术原理以及结合电力电子设备运行工况研究表明汽液两相流冷却技术在解决功率器件均温性以及消除冷却介质泄露隐患有显著优势，特别适用于大功率电力电子设备的散热。目前汽液两相流冷却技术主要应用在航空航天等相关领域，在电力电子设备上应用相对较少，其成本相对较高以及系统管路压力较大等相关问题需要在应用时特别考虑。
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论文作者:吕作河
论文发表刊物:《河南电力》2018年23期
论文发表时间:2019/7/3
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